Reacciones químicas by Roberto Martínez

Reacciones QuĂmicas

Cambio Físico y Cambio Químico Cambio físico – la composición química de una sustancia permanece constante. – Fundir hielo

Cambio químico – la composición química de una sustancia cambia. – Oxidación del hierro

Reacción química – a la sustancia le ocurre un cambio químico y forma una nueva sustancia. 2

Evidencia de las reacciones químicas Un cambio químico se lleva a cabo cuando: – Se produce un gas. – Se produce un sólido insoluble (Precipitado) – Se observa un cambio de color permanentemente. – Desprendimiento o absorción de calor: • Exotérmico – se libera calor. • Endotérmico – se absorbe calor.

Reacciones Químicas Estas transformaciones químicas de una sustancia en otra son, por lo tanto, un reordenamiento de los átomos en las moléculas. Una ordenación distinta de átomos origina una sustancia distinta. De la misma manera que utilizamos símbolos para los elementos y fórmulas para los compuestos, se tiene una notación simbólica y abreviada para representar una reacción química, la ecuación química.

Reacciones Químicas En una ecuación química, las fórmulas de los reactivos se escriben en el lado izquierdo de la ecuación y las fórmulas de los productos se escriben en el lado derecho. Los dos lados de la ecuación se conectan mediante una flecha ( ) o un signo igual (=). Se dice que los reactivos dan lugar a los productos. Supongamos la reacción: Cloro + sodio cloruro de sodio: Cl + Na NaCl Primer miembro o reactantes- primera parte de la reacción química. Segundo miembro o productos - parte final de la reacción química. Símbolos químicos.- Representa a los elementos químicos que intervienen en la reacción. 5

Reacciones Químicas Coeficiente - Indica el número de moléculas o elementos químicos libres que intervienen en una reacción química se coloca del lado izquierdo de los símbolos o fórmulas de los reactantes y de los productos para ajustar el número de átomos que hay en cada miembro de la ecuación (cuando el coeficiente es 1 no se escribe). Subíndice - Indica el número de átomos en una molécula y se coloca del lado derecho de los símbolos de reactantes y productos. flecha - Indica el signo igual y hacia donde se dirige la reacción química.

Escribiendo ecuaciones químicas Ecuación química: Flecha: produce

coeficiente

reactivos catalítico

2A + B2 subíndice

2AB condiciones productos

Temperatura, presión, solventes

¿Qué significa esta ecuación? N2

3H2

2NH3

1 molécula de nitrógeno (con 2 átomos) reacciona con

3 moléculas de hidrógeno (con 2 átomos) para formar:

2 moléculas de amóníaco ( Cada molécula contiene 1 N y 3 átomos de H)

1 mol de nitrógeno (N2) reacciona con

3 moles de hidrógeno (H2) para formar:

2 moles de amoníaco (NH3)

Estado Físico N2(g) + 3H2(g)

2NH3(g)

El estado físico se indica de la siguiente manera: – – – –

(g) o con una flecha hacia arriba ( ): Gas (l) : Líquido (s) o con una flecha hacia abajo ( ): Sólido (ac): Acuoso

Tipos de Reacciones Químicas Las reacciones químicas se pueden clasificar de varias maneras, dependiendo de los procesos, quedando para este caso en cuatro grupos: a) Reacciones de combinación o síntesis: En este tipo de reacciones, dos sustancias (elementos o compuestos), se combinan para formar una sola sustancia. Se le puede representar de manera general como sigue: A + B AB En este caso A y B son elementos o compuestos y AB es un compuesto. 10

Tipos de Reacciones Químicas Ejemplos: Elemento + Elemento Compuesto: 4Al(S) + 3O2(g) 2Al2O3(s) Aluminio + Oxígeno

Oxido de aluminio

Compuesto + Compuesto SO3(g) + H2O(l) H2SO4(l) Anhídrido sulfúrico (trióxido de azufre) + agua

Compuesto: Acido sulfúrico

Tipos de Reacciones Químicas b) Reacciones de descomposición o Análisis: en este tipo de reacciones una sola sustancia se descompone para formar dos o más sustancias que pueden ser elementos o compuestos y su representación general es: AB A + B Estas reacciones se llevan a cabo generalmente en presencia de calor o la adición de energía de algún tipo. 12

Tipos de Reacciones Químicas Ejemplos: CaCO3(s)

∆

CaO(s) + CO2(g)

Carbonato de Calcio

HgO(s)

∆

Oxido de Calcio + Dióxido de carbono

2Hg(s) + O2

Monóxido de Mercurio

Mercurio + Oxígeno

Este tipo de reacciones vienen siendo el inverso de las reacciones de combinación.

Tipos de Reacciones Químicas c) Reacciones de Desplazamiento o Sustitución simple: Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro similar pero menos activo en un compuesto. En general, los metales remplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales remplazan no metales. La actividad de los metales es la siguiente, en orden de mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au. El orden de actividad de los no metales más comunes es el siguiente: F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más activo. AB + C

CB + A

AB + C

AC + B

(Dónde C es un elemento más activo que un metal A o un no metal B) 14

Tipos de Reacciones Químicas Ejemplos: 1) El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo remplazará en el compuesto, formando sulfato de magnesio. A la vez, el cobre queda en su estado libre como otro producto de la reacción. La ecuación que representa la reacción es la siguiente: Mg (s) + CuSO4 (ac) Magnesio + Sulfato de cobre

MgSO4 (ac) + Cu (s) Sulfato de Magnesio + Cobre

2) El flúor es un no metal más activo que el oxígeno y por tanto, lo remplazará en el compuesto, formando fluoruro de sodio. A la vez, el oxígeno queda en su estado libre como otro producto de la reacción. La ecuación que representa la reacción es la siguiente: 2 F2 (g) + 2 Na2O (ac) 4 NaF (ac) + O2 (g) Flúor + Oxido de Sodio Fluoruro de Sodio + Oxígeno

Tipos de Reacciones Químicas d) Reacciones de Doble Desplazamiento o Intercambio: Estas reacciones son aquellas en las cuales el ion positivo (catión) de un compuesto se combina con el ion negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo así un intercambio de átomos entre los reactantes. En general, estas reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes debe estar solución acuosa. AB + CD AD + CB En esta reacción, la plata remplaza al hidrógeno del ácido, formando cloruro de plata. Al mismo tiempo, el hidrógeno remplaza a la plata, formando ácido nítrico con el nitrato. La ecuación que representa la reacción es la siguiente: AgNO3 (ac) + HCl (ac) HNO3 (ac) + AgCl (s) Nitrato de Plata + Acido Clorhídrico

Acido Nítrico + Cloruro de Plata

Tipos de Reacciones Químicas e) Reacciones de Neutralización. Estas reacciones son de doble desplazamiento o intercambio. Su particularidad es que ocurren entre un ácido y una base y los productos de la reacción son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido. Por ejemplo, la reacción entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio resulta en la formación de agua y sulfato de sodio. La ecuación que representa esta reacción es la siguiente: H2SO4 (ac) + 2 NaOH (ac) Acido sulfúrico + hidróxido de sodio

2 H2O (l) + Na2SO4 (ac) Agua + Sulfato de Sodio 17

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN La velocidad de las reacciones depende de las diferentes naturalezas de las sustancias que intervienen. La velocidad de reacción depende también de las características químicas de las diferentes sustancias que participan del proceso de la reacción, así como también de su estado físico, concentración de reactivos, temperatura e incluso de la presencia o no de catalizadores. a) La naturaleza de las sustancias que reaccionan: La naturaleza y variedad de sustancias involucradas en una reacción química determinan el tipo de reacción que se produce; estas diferencias pueden atribuirse a las desigualdades de reactivos, estructura de los átomos, moléculas y iones participantes. 19

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN b) El estado físico: el estado físico de los reactivos condicionará la velocidad de las reacciones. Bastantes reacciones tienen lugar en estado gaseoso preferentemente, o también en disolución, pues así las moléculas poseen mayor libertad de movimiento y se ponen de manera más sencilla en contacto con otras. Por lo general, las reacciones químicas que tienen lugar en disolución donde participan iones, como por ejemplo, las reacciones de precipitaciones o las de neutralización entre ácidos y bases, suelen ser bastante más rápidas que las reacciones en las cuales debe romperse un enlace químico de tipo covalente 20

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN En las reacciones heterogéneas, la velocidad de reacción es dependiente de la superficie de contacto entre las dos fases, siendo mayor cuando mayor sea el estado de división. De esta manera, un fragmento compacto de madera o de otra sustancia, como el carbón, arderá de manera más lenta que si se encontrara pulverizado, así el contacto del oxígeno que se encuentra en el aire, con los combustibles será mucho mayor, pudiendo incluso el carbón hecho polvo, llegar a arder con una velocidad altamente explosiva. Así también, el cinc en polvo reacciona con ácidos, como el ácido clorhídrico de manera más rápida, que si éste estuviese en virutas. 21

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN c) La velocidad de reacción química, puede también depender de la concentración de los reactivos. Se puede comprobar científicamente que la velocidad crece cuando lo hacen las concentraciones de las especies reaccionantes. Por lo general, en la mayoría de las reacciones, la velocidad es dependiente de la concentración que haya de los reactivos, sin embargo, existen casos en los que la velocidad de reacción depende de las concentraciones de cada especie que no aparecen en la ecuación estequiométrica de la reacción problema. Eso es debido, a que el mecanismo por el cual tienen lugar dichas reacciones, es decir, la forma como los reactivos se transforman en productos, tiene lugar de una manera compleja. Por lo cual, la comprobación científica de la velocidad de reacción proporcionará una información de utilidad para poder conocer el mecanismo de la reacción. 22

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN d) La temperatura suele afectar de una manera bastante notable a la velocidad de las reacciones químicas. Por lo general, un aumento de la temperatura condiciona un aumento de la velocidad de la reacción. Cuando las temperaturas están próximas a la temperatura que hay en el ambiente, un aumento de 10ºC multiplicaría la velocidad de la reacción por dos. En algunas reacciones de tipo biológicas, este factor podría tener una diferencia mucho mayor.

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN e) La velocidad de las reacciones químicas, se puede ver modificada cuando existe la presencia de catalizadores. Un catalizador, es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, participando en la misma reacción pero sin consumirse, por lo tanto, la cantidad de catalizadores que hay, es mínima, tanto al principio, como al final del proceso. Los catalizadores no afectan al estado del equilibrio de un sistema químico, pues únicamente aumenta la velocidad con la que se llega al estado de equilibrio. Por otro lado, los catalizadores son específicos de cada reacción, es decir, que un mismo catalizador no puede causar el mismo efecto para todo tipo de reacciones.

TEORIA DE LAS COLISIONES. La teoría de colisiones es un modelo para explicar los mecanismos de las reacciones químicas. Esta teoría fue propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918, cualitativamente explica como reacciones químicas ocurren y porque las tasas de reacción difieren para diferentes reacciones. Para que tenga lugar una reacción química debe cumplirse necesariamente que el choque o colisión de las partículas de los reactivos se produzca entre átomos, moléculas o iones. Para que se garantice la reacción debe cumplirse que: la energía cinética sea suficiente para que tenga lugar el reordenamiento de los enlaces y se forme la nueva sustancia y que colisionen con la debida orientación. Si cumplen esto se denomina choque eficaz. 25

TEORIA DE LAS COLISIONES. Según esta teoría para que se produzca una reacción deben cumplirse tres condiciones: 1. Las moléculas de los reactivos tienen que chocar entre sí. 2. Estos choques deben de producirse con energía suficiente de forma que se puedan romper y formar enlaces químicos. 3. En el choque debe haber una orientación adecuada para que los enlaces que se tienen que romper y formar estén a una distancia y posición viable. 26

TEORIA DE LAS COLISIONES. La cantidad mínima de energía necesaria para que esto suceda es conocida como energía de activación. Partículas de diferentes elementos reaccionan con otras por presentar energía de activación con que aciertan las otras. Si los elementos reaccionan con otros, la colisión es llamada de suceso, pero si la concentración de al menos uno de los elementos es muy baja, habrá menos partículas para otros elementos reaccionar con aquellos y la reacción irá a suceder mucho más lentamente. 27

Teoría de las Colisiones La teoría de las colisiones está íntimamente relacionada a la cinética química. Los átomos de las moléculas de los reactivos están siempre en movimiento, generando muchas colisiones (choques). Parte de estas colisiones aumentan la velocidad de reacción química. Cuantos más choques con energía y geometría adecuada exista, mayor la velocidad de la reacción. Hay dos tipos de colisiones: a) Horizontal – Colisión más lenta b) Vertical – Colisión más rápida, colisión efectiva 28

Teoría de las Colisiones Colisión Horizontal:

Observemos que luego de la primer colisión existe formación de apenas una molécula de HCl. La segunda molécula se formará en la segunda colisión. 29

Teoría de las Colisiones Colisión Vertical

Observe que la molécula de H2 se aproxima de la molécula de Cl2 con mucha velocidad. Enseguida, se chocan violentamente formando dos moléculas de HCl que se alejan enseguida. 30

Teoría de las Colisiones La primera colisión forma el complejo activado. Esta colisión sucede con mucha velocidad y por tanto más rápida y más efectiva. Torna la reacción química más rápida. El estado intermedio de reacción, donde se forma el complejo activado es un estado de transición donde hay un alto valor de energía involucrado. El complejo activado es la especie química con mayor valor energético en toda la reacción química que tiene vida muy corta. ENERGÍA DE ACTIVACION (Eat): Es la energía mínima que los reactivos precisan para que inicie la reacción química. Esta energía mínima es necesaria para la formación del complejo activado. 31

Teoría de las Colisiones La energía de activación varía de acuerdo con el tipo de reacción química. En las reacciones endotérmicas ella es mayor que en las exotérmicas.

Teoría de las Colisiones

“La velocidad de una reacción es proporcional al número de colisiones producidas por unidad de tiempo entre las moléculas de los reactivos.” 33

BALANCEO DE REACCIONES QUIMICAS. Cuando la reacción química se expresa como ecuación, además de escribir correctamente todas las especies participantes (nomenclatura), se debe ajustar el número de átomos de reactivos y productos, colocando un coeficiente a la izquierda de los reactivos o de los productos. El balanceo de ecuaciones busca igualar el número de átomos en ambos lados de la ecuación, para mantener la Ley de Lavoisier. 34

Principio de conservación de la masa Ley de Lavoisier o Principio de conservación de la masa. Este principio fue establecido a finales del siglo XVIII por el francés Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), a quien se le conoce como el padre de la química. Se puede enunciar de distintas formas: La materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En una reacción química la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos. En una reacción química los átomos no desaparecen, simplemente se ordenan de otra manera.

BALANCEO DE REACCIONES QUIMICAS Los métodos más comunes para balancear una ecuación son: Tanteo, Algebraico y Oxido-Reducción. Método Por Tanteo. Consiste en dar coeficientes al azar hasta igualar todas las especies. Como todo lleva un orden a seguir, éste método resulta más fácil si ordenamos a los elementos de la siguiente manera: Balancear primero Metales y/o no metales y luego Oxígenos e Hidrógenos. De esta manera, nos resulta más fácil, ya que el mayor conflicto que se genera durante el balanceo es causado principalmente por los oxígenos e hidrógenos. 36

MĂŠtodo por Tanteo

Método por Tanteo Balancear por el método de tanteo consiste en colocar números grandes denominados “Coeficientes” a la derecha del compuesto o elemento del que se trate. De manera que Tanteando, logremos una equivalencia o igualdad entre los reactivos y los productos. Ejemplos: Ejemplo N° 1. CaF2 + H2SO4

CaSO4 + HF

Fluoruro de calcio + Acido sulfúrico

Ecuación no balanceada Sulfato de calcio + Ácido fluorhídrico

El número de F y de H esta desbalanceado, por lo que se asignará (al azar) un coeficiente en la especie del flúor de la derecha. CaF2 + H2SO4 CaSO4 + 2 HF Ecuación balanceada 38

Método por Tanteo Ejemplo N° 2. K + H2 O KOH + H2 Ecuación no balanceada Potasio + Agua Hidróxido de potasio + Hidrógeno El número de H esta desbalanceado, por lo que se asignará (al azar) un coeficiente en la especie del hidrógeno de la izquierda. K + 2 H2 O KOH + H2 Ecuación no balanceada Quedarían 4 H en reactivos y 3 en productos, además la cantidad de oxígenos quedó desbalanceada, por lo que ahora se ajustará el hidrógeno y el oxígeno. K + 2 H2 O 2 KOH + H2 Ecuación no balanceada El número de K es de 1 en reactivos y 2 en productos, por lo que el balanceo se termina ajustando el número de potasios. 2 K + 2 H2 O 2 KOH + H2 Ecuación balanceada

Mol茅culas diat贸micas Siete elementos existen naturalmente como mol茅culas diat贸micas: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, y I2

Recomendaciones para balancear por tanteo Balance primeramente, los elementos que aparecen en sólo un compuesto en cada lado de la ecuación. Balancee los elementos libres por último. Balancee los grupo poliatómicos sin cambiarlos. Se pueden utilizar coeficientes fraccionarios que al final del proceso son convertidos en enteros por una simple multiplicación.

MĂŠtodo por Tanteo

MĂŠtodo Algebraico

Método Algebraico 2. Escribir los elementos y para cada uno de ellos establecer cuántos hay en reactivos y en productos, con respecto a la variable. Por ejemplo hay un Fe en reactivos y dos en productos, pero en función de las literales donde se localizan las especies (A y C) se establece la ecuación A = 2C. El símbolo produce ( ) equivale al signo igual a (=). Fe: A = 2C S: A=D O: 2B = 3C + 2D 44

Método Algebraico 3. Utilizando esas ecuaciones, dar un valor a cualquier letra que nos permita resolver una ecuación (obtener el valor de una literal o variable) y obtener después el valor de las demás variables. Es decir se asigna un valor al azar (generalmente se le asigna el 2) a alguna variable en una ecuación, en este caso C = 2, de tal forma que al sustituir el valor en la primera ecuación se encontrará el valor de A. Sustituyendo el valor de A en la segunda ecuación se encuentra el valor de D y finalmente en la tercera ecuación se sustituyen los valores de C y D para encontrar el valor de B. 45

MĂŠtodo Algebraico

Método Oxido – Reducción Es también denominado "Redox" y consiste en que un elemento se oxida y el otro se reduce. Un elemento se oxida cuando pierde electrones y su valencia aumenta. Un elemento se reduce cuando gana electrones y su valencia disminuye. Número de Oxidación: o estado de oxidación de un elemento es un número entero que representa el número de electrones que un átomo pone en juego cuando forma un compuesto determinado. O dicho de otra forma, es la carga que tendría ele elemento dentro del compuesto, si todo el compuesto estuviera formado por iones positivos y negativos. 48

Método Oxido – Reducción El número de oxidación es positivo si el átomo pierde electrones, o los comparte con un átomo que tenga tendencia a captarlos. Y será negativo cuando el átomo gane electrones, o los comparta con un átomo que tenga tendencia a cederlos. REGLAS PARA LA OBTENCION DEL NUMERO DE OXIDACION. 1. Los elementos libres (que no formen compuestos) tienen número de oxidación 0: H2, I2, Al, N2, P4, S8, etc. 2. En los iones monoatómicos la carga eléctrica coincide con el número de oxidación. 3. El hidrógeno (H) presenta número de oxidación +1 con los no metales y – 1 con los metales 49

Método Oxido – Reducción 4. El flúor (F) sólo presenta el número de oxidación – 1. 5. El Oxígeno (O) presenta el número de oxidación – 2, excepto en los peróxidos donde es – 1. (Peróxidos : son compuestos binarios del oxígeno, que presentan la particularidad de que dos átomos de oxígeno se unen entre sí, lo que determina que su número de oxidación sea –1) 6. Los metales alcalinos (grupo 1, o grupo del Li) tienen 1 electrón de valencia, tenderán a perderlo poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación + 1. 7. Los metales alcalinotérreos (grupo 2, o grupo del Be) tienen dos electrones de valencia, tenderán a perderlos poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación + 2. 50

Método Oxido – Reducción 8. El grupo 13 (grupo del Boro <B>) tiene tres electrones de valencia, tenderán a perderlos poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación + 3. 9. El grupo 14 (grupo del Carbono <C>) tiene cuatro electrones de valencia, que tienden a compartirlos, tienen número de oxidación + 4 frente a los no metales, y número de oxidación – 4 frente a los metales y al H. 10. El grupo 15 (grupo del Nitrógeno <N>) tiene 5 electrones de valencia, tenderán a ganar 3, poseyendo siempre con el H y con los metales, número de oxidación - 3. 51

Método Oxido – Reducción 11. Los calcógenos (grupo 16 o grupo del O) tienen 6 electrones de valencia, tenderán a ganar 2 poseyendo siempre con el H y con los metales número de oxidación – 2. 12. Los halógenos (grupo 17 o grupo del F) tienen 7 electrones de valencia, tenderán a ganar 1 poseyendo siempre con el H y con los metales número de oxidación – 1. 13. Dentro de los metales de transición debemos saber que la Ag tiene número de oxidación + 1, el Zn y Cd tienen número de oxidación + 2, y el Sc (escandio) e Y (itrio), tienen número de oxidación + 3. 52

Método Oxido – Reducción

Equilibrio Químico El equilibrio químico es un estado de un sistema reaccionante en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo, a pesar de que siguen reaccionando entre sí las sustancias presentes. El equilibrio químico se establece cuando existen dos reacciones opuestas que tienen lugar simultáneamente a la misma velocidad. En términos de velocidad se puede expresar de la siguiente manera: Vd

aA + bB

cC + dD Vi

Equilibrio QuĂmico

Equilibrio Químico Principio de Le Chatelier. El principio de Le Chatelier establece que: “Cuando un sistema está en equilibrio químico, el cambio de cualquiera de los factores que influyen en él, hará que se desplace el equilibrio de manera que se disminuya el efecto del cambio”. Los factores que influyen en el estado de equilibrio de una reacción química son la concentración, la temperatura y la presión. Es conveniente mencionar que la presencia de un catalizador no afecta de ninguna manera el estado final de equilibrio, ellos solo afectan la velocidad con que se alcanza el equilibrio. 66

Equilibrio QuĂmico

Equilibrio Químico Efecto de la Presión y el Volumen. La variación de presión en un equilibrio químico influye solamente cuando en el mismo intervienen especies en estado gaseoso o disueltas y hay variación en el número de moles, ya que si n=0, no influye la variación de presión o de volumen. Si aumenta la presión, el sistema se desplazará hacia donde exista menor número de moles gaseosos (según la estequiometría de la reacción) para así contrarrestar el efecto de disminución de volumen, y viceversa. Si se trata de un sistema heterogéneo, el efecto de éstas magnitudes sobre el desplazamiento del equilibrio solo depende del n gaseosos o disueltos que se produzca. 71

Equilibrio QuĂmico

Equilibrio I贸nico del Agua

Definici贸n y Escala de pH

Concepto de pOH